Exercise 10.6

Moderator: Martin Sleziak

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Exercise 10.6

Post by Martin Sleziak »

Snáď sa odpoveď na veci dozviem, keď budeme na seminári - ale v poslednom čase preskakujeme väčšinu cvičení a navyše kým sa k tomu dostaneme určite na to zabudnem. Tak som si povedal, že to sem napíšem.

Týka sa to Exercise 10.6 zo strany 94.

Exercise 10.6: Let $G=Q_8=\langle a,b; a^4=1, a^2=b^2, b^{-1}ab=a^{-1} \rangle$, and let $V$ be the $\mathbb{C}G$-module given in Example 4.5(2). Thus $V$ has basis $v_1$, $v_2$ and
$$
v_1 a=iv_1 \qquad v_1b=v_2 \\
v_2a=-iv_2 \qquad v_2b=-v_1
$$

Show that $V$ is irreducible, and find a $\mathbb{C}G$-submodule of $\mathbb{C}G$ which is isomorphic to $V$.

Pre istotu pripomeniem, že $Q_8=\{a^ib^j; i\in\{0,1,2,3\}, j\in\{0,1\}\}$, pričom počítať sa tam dá na základe pravidiel $ba^3=ab$, $ba^2=b^3=a^2b$, $ba=a^3b$. (Ja som sa párkrát v tejto úlohe pri počítaní v $Q_8$ pomýlil - rátal som ako v dihedrálnej grupe.)

Pozeral som aj vzadu v riešeniach a aj v tom solution manuale, čo niekto spísal. V oboch prípadoch píšu, ako ten podmodul vyzerá, ale nie to, ako na tvar podmodulu prišli.

Tak sem napíšem, ako som ho hľadal ja - a moja otázka je či sa to dalo nájsť aj nejako inak. (Alebo či sme mali niečo, z čoho sa tvar toho podmodulu dal nejako ľahko uhádnuť.)

Moje riešenie. Ja som to skúšal postupom z dôkazu vety 10.5. T.j. treba si zobrať ľubovoľný vektor $w\in V$ a pracovať s homomorfizmom $r\mapsto wr$ z $\mathbb CG$ do $V$. Ja som to skúsil pre $v=v_1$, t.j. mám homomorfizmus $\varphi \colon r \mapsto v_1r$,
$$
\begin{align}
e\varphi&=v_1 \qquad &b\varphi&=v_2\\
a\varphi&=iv_1 \qquad &ab\varphi&=iv_2\\
a^2\varphi&=-v_1 \qquad &a^2b\varphi&=-v_2\\
a^3\varphi&=-iv_1 \qquad &a^3b\varphi&=-iv_2\\
\end{align}
$$

Potom dostaneme $\operatorname{Ker}\varphi=\{x_0e+x_1a+x_2a^2+x_3a^3+x_4b+x_5ab+x_6a^2b+x_7a^3b; x_0+ix_1-x_2-ix_3=0, x_4+ix_5-x_6-ix_7=0\}$.

Mali by sme nájsť "doplnok" z Maschkeho vety. Vieme, že to je vlastne ortogonálny doplnok pri vhodnom skalárnom súčine a dokonca, keď pracujeme v $\mathbb CG$, tak je to ortogonálny doplnok pre štandardný skalárny súčin. (Vysvetlím nižšie.)

Ortogonálny doplnok je potom generovaný vektormi
$$w_1=e-ia-a^2+ia^3\\
w_2=b-iab-a^2b+ia^3b$$
a pre tieto vektory máme
$w_1a=iw_1$, $w_2a=-iw_2$
$w_1b=w_2$, $w_2b=-iw_1$
Spoiler:
$w_1a=a-ia^2-a^3+ie$;
$w_2a=ba-iaba-a^2ba+ia^3ba=a^3b-ib-ab+ia^2b$ lebo $ba=a^3b$;
$w_2b=b^2-iab^2-a^2b^2+ia^3b^2=a^2-ia^3-e+ia$ lebo $b^2=a^2$.
Dostávame teda reprezentáciu určenú maticami $\begin{pmatrix}i&0\\0&-i\end{pmatrix}$ a $\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}$, čo je presne to isté ako zadaný modul. $\square$

Pozorovanie: Ak pracujeme v $\mathbb CG$, $[u,v]$ je skalárny súčin z dôkazu Maschkeho vety a $(u,v)$ je štandardný skalárny súčin, tak $(u,v)=0$ $\Leftrightarrow$ $[u,v]=0$.

Dôkaz. Štandardný skalárny súčin môžeme vyjadriť ako $(u,v)=\sum_{g\in G}a_g\overline{b_g}$ pre $u=\sum_{g\in G} a_gg$ a $v=\sum_{g\in G}b_g$. Z toho dostaneme
$$[u,v]=\sum_{x\in G}(ux,vx)=|G|(u,v).$$
Spoiler:
$$\sum_{x\in G} \sum_{g\in G} a_{gx} \overline{b_{gx}} = \sum_{x\in G} \sum_{h\in G} a_{h} \overline{b_{h}} = \sum_{x\in G} (u,v) = |G|(u,v)$$
Prvá rovnosť platí preto, že $g\mapsto gx$ je bijekcia z $G$ do $G$.
EDIT: Keby som robil to isté s vektorom $v_2$, čiže s homomorfizmom $\psi \colon r \mapsto v_2r$, tak dostanem
$$
\begin{align}
e\psi&=v_2 \qquad & b\psi&=-v_1 \\
a\psi&=-iv_2 \qquad & ab\psi&=-iv_2 \\
a^2\psi&=-v_2 \qquad & a^2b\psi&=-v_2 \\
a^3\psi&=iv_2 \qquad & a^3b\psi&=iv_2 \\
\end{align}
$$

Máme $\operatorname{Ker}\psi = \{x_0e+x_1a+x_2a^2+x_3a^3+x_4b+x_5ab+x_6a^2b+x_7a^3b; x_0-ix_1-x_2+ix_3=0, x_4-ix_5-x_6+ix_7=0\}$.

Ortogonálny doplnok je generovaný vektormi
$$
u_1=e+ia-a^2-ia^3,\\
u_2=b+iab-a^2b-ia^3b.
$$
V tomto prípade platí
$u_1a=-iu_1$, $u_1b=u_2$,
$u_2a=iu_2$, $u_2b=u_1$,
čiže dostávame opäť podmodul izomorfný zo zadaným modulom.
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Exercise 10.6

Post by Martin Sleziak »

V prípade problémov so zobrazením skrytých častí (spoiler) skúste použiť tento návod.
Martin Sleziak
Posts: 5689
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Exercise 10.6

Post by Martin Sleziak »

Martin Sleziak wrote: Pozeral som aj vzadu v riešeniach a aj v tom solution manuale, čo niekto spísal. V oboch prípadoch píšu, ako ten podmodul vyzerá, ale nie to, ako na tvar podmodulu prišli.

Tak sem napíšem, ako som ho hľadal ja - a moja otázka je či sa to dalo nájsť aj nejako inak. (Alebo či sme mali niečo, z čoho sa tvar toho podmodulu dal nejako ľahko uhádnuť.)
Takéto riešenie mi povedal Pišta - a je to dosť blízko riešeniu, ktoré bolo na seminári; akurát tam sme sa vyhli výpočtom, keďže sme podobné veci už počítali v predošlom príklade.

V princípe sa na to dalo prísť vcelku jednoducho - vyskúšať všetky možnosti. Najprv nájdeme vektor $v\in\mathbb{C}G$ taký, že $va=iv$. Ďalší vektor potom dostaneme ako $vb$.

Máme
$$
\begin{align}
v&=x_0e+x_1a+x_2a^2+x_3a^3+x_4b+x_5ab+x_6a^2b+x_7a^3b\\
va&=x_3+x_0a+x_1a^2+a_2a^3+x_5b+x_6ab+x_7a^2b+x_4a^3b
\end{align}
$$
Ak má platiť $va=iv$, tak dostaneme:
$x_3=ix_0$, $x_0=ix_1$, $x_1=ix_2$, $x_2=ix_3$. Čiže ak si zvolíme $x_3$, tak máme $x_2=ix_3$, $x_1=-x_3$, $x_0=-ix_3$.
$x_5=ix_4$, $x_6=ix_5$, $x_7=ix_6$, $x_4=ix_7$, a teda máme $x_5=ix_4$, $x_6=-x_4$, $x_7=-ix_4$.

Teda ľubovoľný vektor taký, že $va=iv$ dostaneme ako
$$v=x_3(-ie-a+ia^2+a^3)+x_4(b+iab-a^2b-ia^3b).$$
Konkrétne pre voľbu $x_3=i$, $x_4=0$ dostaneme presne vektor $w_1$ z predošlého riešenia.
Pre $x_3=0$, $x_4=1$ dostaneme $u_2$ z predošlého riešenia.
(A teda podobne ako v predošlom riešení by sme mohli skontrolovať, že podmodul generovaný vektormi $v$ a $vb$ pre vektory uvedeného tvaru skutočne vyhovuje podmienkam.)
Post Reply